CN112557935A - 一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，包括储能电容、跟随器和AD采集电路；其特征在于：电池串的所有单体电芯串联连接，第一个单体电芯的负极接地，每个单体电芯的正、负极均分别通过不同的电开关一连接储能电容的正、负极，储能电容的负极通过电开关二接地，储能电容的正极通过电开关三接跟随器的输入，跟随器输出信号到AD采集电路；所述电开关一在关断状态不能有漏电流到地，电开关二和电开关三在开启状态和关断状态都不能有漏电流流过；本发明可广泛用于各类电池的测试，特别是电动汽车、电动摩托车电池的测试。

Description

一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统
技术领域
本发明涉及电池测试，具体涉及一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统。
背景技术
当前我国汽车市场逐步触底企稳，新能源汽车长期向好的发展态势没有改变。2020年的新能源汽车补贴政策将保持相对稳定，不会大幅退坡，未来将继续坚持发展新能源汽车的国家战略不动摇，巩固和发展来之不易的良好势头。为稳定市场预期，保障产业健康持续发展，明确2025年前继续执行新能源汽车免购置税政策；在全国范围内为新能源物流车开放路权；取消新能源汽车限购要求；明确服务于民用车辆的充电服务企业享受民用电价。随着传统燃油车环保、排放标准趋严，以上政策无疑将利好新能源汽车产业的长期发展。提高新能源汽车动力蓄电池保护系统的可靠性不仅有利于促进我国新能源汽车产业健康发展，还能推进资源循环利用，促进生态文。
现有测量电池电芯电压一般采用电阻分压后多通道AD采集，即对每个电池电芯都有一个采集通道。但是由于高精度电阻自身有误差，不同通道的AD有不同积分误差和微分误差。因此采购该方案存在测量精度低、校准难度大、成本昂贵、功耗高、一致性差等问题，从而限制了其在新能源车电池管理系统中的应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统。
本发明的技术方案是，一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，包括储能电容、跟随器和AD采集电路；其特征在于：电池串的所有单体电芯串联连接，第一个单体电芯的负极接地，每个单体电芯的正、负极均分别通过不同的电开关一连接储能电容的正、负极，储能电容的负极通过电开关二接地，储能电容的正极通过电开关三接跟随器的输入，跟随器输出信号到AD采集电路；所述电开关一在关断状态不能有漏电流到地，电开关二和电开关三在开启状态和关断状态都不能有漏电流流过。
本发明采用电池电压搬移技术，提高了单体电池采集精度：精确搬移单体电池电压到储能电容两端供ADC采集。降低了系统功耗，通过设计低漏电开关电路，当电池电压搬移到储能电容后，储能电容两端的电压不衰减，工作状态只有跟随器和AD采集电路耗电，休眠时可做到零功耗。提高了各单体电池电压采集一致性，降低校准难度，只需要一次校准，各单体电池电压均能准确测量。降低了成本，整个方案只需几个开关、一个储能电容和一路跟随器、一路AD采集电路就能完成。本发明可靠性高，能提供高精度的电池电压检测数据，有益于电池管理系统对电池充放电状态下做出准确的判断，提高电池寿命和安全性。
本发明能精确地把电池电压搬移到AD前端采集，与传统的分压电路检测电路比较具有功耗低、一致性好、精度高、成本低的优点，这种电压搬移采集电芯电压架构非常具备实用意义。
根据本发明所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，除与第一个单体电芯的负极连接的电开关一外，其他所有的电开关一均包括第一、第二PMOS和第一NMOS驱动管，第一、第二PMOS的栅极相互连接，并通过电阻连接第一NMOS驱动管的漏极；第一、第二PMOS的源极相互连接，第一PMOS的漏极接单体电芯，第二PMOS的漏极接储能电容；第一NMOS驱动管的源极接地，第一NMOS驱动管的栅极接收外部开关控制信号。
根据本发明所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统的优选方案，与第一个单体电芯的负极连接的电开关一由第一NMOS管构成，第一NMOS管的源极接第一个单体电芯的负极，第一NMOS管的漏极接储能电容的负极，第一NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
根据本发明所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统的优选方案，所述电开关二由第二NMOS管构成，第二NMOS管的源极接地，第二NMOS管的漏极接储能电容的负极，第二NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
根据本发明所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统的优选方案，所述电开关三由第三NMOS管构成，第三NMOS管的源极接跟随器的输入，第二NMOS管的漏极接储能电容的正极，第二NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
本发明所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统的有益效果是：本发明将电池串单体电芯电压搬移到储能电容两端供ADC采集，降低了系统功耗，通过设计低漏电的电开关电路，当电池电压搬移到储能电容后，储能电容两端的电压不衰减，工作状态只有跟随器和AD采集电路耗电，休眠时可做到零功耗，提高了各单体电池电压采集一致性，降低了校准难度，具有成本低，可靠性高，功耗低、精度高的优点、能提供高精度的电池电压检测数据，有益于电池管理系统对电池充放电状态下做出准确的判断，提高电池寿命和安全性，可广泛用于各类电池的测试，特别是电动汽车、电动摩托车电池的测试。
附图说明
图1是本发明所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统电路原理框图。
图2是除与第一个单体电芯的负极连接的电开关一外的其他所有的电开关一的电路原理示意图。
图3是与第一个单体电芯的负极连接的电开关一的电路原理示意图。
图4是电开关二的电路原理示意图。
图5是电开关三的电路原理示意图。
图6是电池测量控制流程图。
具体实施方式
参见图1至图5，一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，包括储能电容C、跟随器和AD采集电路ADC；跟随器由放大器IC和电阻R2构成，电池串的所有单体电芯串联连接，第一个单体电芯的负极接地，每个单体电芯的正、负极均分别通过不同的电开关一连接储能电容C的正、负极，储能电容C的负极通过电开关二SW_AD-接地，储能电容C的正极通过电开关三SW_AD+接跟随器的输入，跟随器输出信号到AD采集电路ADC；所述电开关一在关断状态不能有漏电流到地，电开关二SW_AD-和电开关三SW_AD+在开启状态和关断状态都不能有漏电流流过。
在具体实施例中，除与第一个单体电芯的负极连接的电开关一外，其他所有的电开关一均包括第一、第二PMOS和第一NMOS驱动管，第一、第二PMOS的栅极相互连接，并通过电阻连接第一NMOS驱动管的漏极；第一、第二PMOS的源极相互连接，第一PMOS的漏极接单体电芯，第二PMOS的漏极接储能电容C；第一NMOS驱动管的源极接地，第一NMOS驱动管的栅极接收外部开关控制信号。当外部开关控制信号SWITCH_N+为高电平时，第一NMOS驱动管V3开启，第一、第二PMOSV1、V2开启。当外部开关控制信号SWITCH_N+为低电平时，第一NMOS驱动管V3关闭，第一、第二PMOS V1、V2关闭，开关关闭后对地无回路，不会漏电流到地。
与第一个单体电芯的负极连接的电开关一由第一NMOS管构成，第一NMOS管的源极接第一个单体电芯的负极，第一NMOS管的漏极接储能电容C的负极，第一NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
所述电开关二由第二NMOS管构成，第二NMOS管的源极接地，第二NMOS管的漏极接储能电容C的负极，第二NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
所述电开关三由第三NMOS管构成，第三NMOS管的源极接跟随器的输入，第二NMOS管的漏极接储能电容C的正极，第二NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
通过低漏电开关把电芯电压搬移到储能电容两端，通过跟随器做阻抗变换后供一路高精度AD采集。例如测量第3节电池BAT3两端电压，首先开启开关SW_T3、SW_B3，则储能电容C两端的电压等于电池BAT3两端电压，然后断开开关SW_T3、SW_B3，开启SW_AD-、SW_AD+,储能电容C两端的电压等于BAT3电池两端电压，经过跟随器，由于跟随器输入端阻抗接近开路，储能电容不对地放电，储能电容两端电压供AD采集电路采集，不会因为AD采集电路采集而衰减。本发明采用低漏电的电开关实现单体电池电压搬移，可适应任意串数电池，且搬移电池电容无需耐高压，大于单体电芯电压即可，电容成本低。
电开关设计主要关注关断后的漏电流，如果漏电流过大储能电容的电压不能保持，对于连接在单体电芯两端的开关SW_T1～SW_TN,SW_B1～SW_BN，开启时可以有漏电流，但关断后不能有电流漏到地，对于电开关二SW_AD-和电开关三SW_AD+，在开启状态和关断状态都不能有漏电流流过。
电池串单体电芯电压检测步骤如下，控制流程如图6所示。
一、电开关SW_T1～SW_TN,SW_B1～SW_BN,SW_AD+,SW_AD-全部关闭。
二、开启电开关SW_T1，SW_B1，延时1mS，关闭电开关SW_T1，SW_B1。
三、开启电开关SW_AD+,SW_AD-。
四、ADC测试电压值，获得第一个单体电芯电压。
五、关闭电开关SW_AD+,SW_AD-。
六、按步骤一～五的方法重复，直到所有电池测量完成。
本发明单体电池电压测量无电阻分压，测量误差仅取决于AD采集电路的采集误差，AD采集电路的基准误差可校准，如采用普通的14位ADC，总误差为5LSB，则满量程最大测量误差为5/2^14＝0.0305％，4.2V电池测量误差为1.28mV。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，包括储能电容(C)、跟随器(IC、R2)和AD采集电路(ADC)；其特征在于：电池串的所有单体电芯串联连接，第一个单体电芯的负极接地，每个单体电芯的正、负极均分别通过不同的电开关一连接储能电容(C)的正、负极，储能电容(C)的负极通过电开关二(SW_AD-)接地，储能电容(C)的正极通过电开关三(SW_AD+)接跟随器(IC、R2)的输入，跟随器(IC、R2)输出信号到AD采集电路(ADC)；所述电开关一在关断状态不能有漏电流到地，电开关二(SW_AD-)和电开关三(SW_AD+)在开启状态和关断状态都不能有漏电流流过。
2.根据权利要求1所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，其特征在于：除与第一个单体电芯的负极连接的电开关一外，其他所有的电开关一均包括第一、第二PMOS和第一NMOS驱动管，第一、第二PMOS的栅极相互连接，并通过电阻连接第一NMOS驱动管的漏极；第一、第二PMOS的源极相互连接，第一PMOS的漏极接单体电芯，第二PMOS的漏极接储能电容(C)；第一NMOS驱动管的源极接地，第一NMOS驱动管的栅极接收外部开关控制信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，其特征在于：与第一个单体电芯的负极连接的电开关一由第一NMOS管构成，第一NMOS管的源极接第一个单体电芯的负极，第一NMOS管的漏极接储能电容(C)的负极，第一NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，其特征在于：所述电开关二由第二NMOS管构成，第二NMOS管的源极接地，第二NMOS管的漏极接储能电容(C)的负极，第二NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于电压搬移的高精度电池串单体电芯电压检测系统，其特征在于：所述电开关三由第三NMOS管构成，第三NMOS管的源极接跟随器(IC、R2)的输入，第二NMOS管的漏极接储能电容(C)的正极，第二NMOS管的栅极接收外部开关控制信号。
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